книги / Расходомеры и счетчики количества веществ. Расходомеры обтекания, силовые, тепловые, оптические, ионизационные, ядерно-магнитные, концентрационные, меточные, корреляционные, вихре

Рис. 6. Поплавковые пары у поплавковых расходомеров

16 м3/ч. Последняя пара (рис. 6, в) имеет кольцевой цилиндри­ ческий поплавок диаметром 151 мм, перемещающийся в отвер­ стии, которое образовано центральным конусом с углом Р и на-

П р и м е ч а н и е . Для расходомеров типа РП наименьший расход 0,16 м3/ч (РП-0,16ЖУЗ) и наибольший расход 16 м3/ч (РП-16ЖУЗ), а рабочее давление 6,4 МПа для расходомеров с Qnmне более 2,5 м3/ч и 1,6 МПа — для остальных.

21

ружной конической расточкой с углом а. При изменении угла а охватываются три верхних предела измерения в пятой РЭ-V базо­ вой модели» Разновидности расходомеров типа РЭ приведены в табл. 1. У всех расходомеров типа РЭ и РП нижние пределы измерения составляют не более 20 % от верхних.

Основная приведенная погрешность в комплекте со вторич­ ным прибором дифференциально-трансформаторной системы ±2,5 % . Материал всех деталей, соприкасающихся с измеряемым веществом, сталь 12Х18Н9Т.

Устройство поплавкового расходомера типа РЭ показано на рис. 7. На этом рисунке: 1 — входной штуцер; 2 is. 5 — направляющие и ограничители хода конусного поплавка 4, перемещающегося в отверстии диафрагмы 3; 6 — пружина, на которую опирается катушка 8 дифференциально-транспортной передачи; 7 — ферро­ магнитный сердечник, перемещающийся внутри диамагнитной труб­ ки; 9 — упорная втулка; 10 — выходной штуцер. В комплект рас­ ходомера входят вторичные приборы КСД2, КСДЗ и других типов.

22

ром манометрического типа. Наибольшее расстояние между вто­ ричным прибором и поплавковым расходомером 300 м. Кроме того, имеется стрелка 5, указывающая расход по шкале прибора. Для питания необходим воздух давлением 0,14 МПа. Редуктор и фильтр для воздуха входят в комплект расходомера. Диапазон измере­ ния расхода ©max/Qmin = 5/1. Прибор снабжен местной шкалой. Рассмотренные расходомеры в зависимости от устройства и мате­ риала корпуса бывают трех типов: РП — корпус из нержавею­ щей стали, РПФ — корпус армирован фторопластом-4 и РПО — корпус из стали Х17Н13М2Т с паровым обогревом. Последняя модификация служит для измерения расхода веществ, кристал­ лизующихся или дающих осадки на внутренних поверхностях, например для измерения расхода сред, содержащих нафталин, парафин и т. п.

Расходомеры РПФ предназначены для измерения расхода очень агрессивных веществ, в частности монохлоруксусной кислоты.

Расходомеры, близкие по конструкции к приборам типа РП, были разработаны и получили применение в химической про­ мышленности.

Поршневые расходомеры

Поршневые или золотниковые расходомеры — третья разног видность расходомеров постоянного перепада давления. В этих приборах роль поплавка выполняет поршень или другой элемент, перемещающийся во втулке с окнами особой формы. Измеряемое вещество поступает под поршень и, приподнимая его, выходит через окно или прорезь во втулке. Давление над поршнем то же, что и в выходном штуцере. Чем больше расход, тем выше подни­ мается поршень, открывая все большую часть отверстия во втул­ ке. Перепад давления на поршне при этом сохраняется постоян­ ным. Выбирая надлежащий профиль прорези, можно получить желаемую (например, линейную) зависимость между расходом и перемещением поршня.

Существует много разновидностей поршневых расходомеров, но применяются они значительно реже ротаметров и поплавко­ вых расходомеров. В большинстве случаев они имеют одно вы­ ходное окно и, следовательно, односторонний выход жидкости. При этом равнодействующая сил давления приложена не в цент­ ре площади поршня и возникает момент, прижимающий поршень к той поверхности втулки, в которой расположено выходное окно. Для устранения этого недостатка предложены расходомеры с выходом жидкости через два прямоугольных окна, располо­ женных на противоположных поверхностях втулки [16].

К достоинствам поршневых расходомеров относятся: легкость перехода на другой предел измерения посредством изменения массы груза, действующего на поршень, а также возможность измерения веществ с механическими примесями.

24

На рис. 9 показан поршневой рас­ ходомер, разработанный для измере­ ния массового расхода нефтепродук­ тов [19]. Для достижения практичес­ кой независимости показаний от из­ менений плотности р измеряемого вещества плотность поршня рп в два раза больше, чем р. Конструкция расходомера очень проста. На вход­ ном патрубке 1 укреплен цилиндр с втулкой 3, внутри которой переме­ щается поршень 3, связанный с маг­ нитным стержнем 4; последний воз­ действует на заслонку у сопла, дав­ ление воздуха в котором служит вы­ ходным сигналом прибора. Во втулке 3 прорезано окно, через которое из­ меряемое вещество уходит в выход­ ной патрубок 5. Максимальные рас­ ходы 13; 60 и 120 т/ч. Погрешность ±1,25 % в пределах пятикратного диапазона измерения при вязкости вещества до 5 *10~5 м2/с. Прибор надежен в работе и нечувствителен

ктвердым частицам в потоке.

Внашей стране изготовлялись поршневые расходомеры типа ППЭ для труб диаметром 50 мм. Их пор­ шень связан с ферромагнитным сер­

дечником, перемещающимся в диамагнитной трубке, снаружи которой помещена индуктивная катушка. Ход поршня 30,5 мм. Предельные расходы в приборе могли быть изменены от 250 до 8000 кг/ч путем изменения массы груза (от 0,7 до 2,3 кг), дей­ ствующего на поршень, и ширины прямоугольного отверстия во втулке (от 1,27 до 25,4 мм).

1.3.РАСХОДОМЕРЫ ОБТЕКАНИЯ

СИЗМЕНЯЮЩИМСЯ ПЕРЕПАДОМ ДАВЛЕНИЯ

Как и в расходомерах постоянного перепада, здесь также име­ ется тело (поплавок), на которое воздействует поток измеряемого вещества, и величина перемещения тела служит мерой расхода. Эти расходомеры можно подразделить на: поплавково-пружин­ ные, поплавково-архимедовые, расходомеры с электромагнитным уравновешиванием и шариковые с движением в криволинейной трубке. Основные среди них — поплавково-пружинные расходо­ меры.

25

Поплавково-пружинные расходомеры

Если поплавок или поршень в поплавковом или поршневом расходомере соединить с пружиной, то получим поплавково-пру­ жинный расходомер, в котором давление потока должно преодо­ левать не только вес подвижного элемента, но и упругость пру­ жины.

Достоинства поплавково-пружинных расходомеров: возмож­ ность существенного повышения максимального предела измере­ ния и удобство перехода на другой диапазон измерения путем смены пружины. Уравнение равновесия поплавка имеет вид

(Pi “ Р2) / + Д = С + сН,

где Pj ~ р2 — разность статических давлений с обеих сторон по­ плавка, имеющего площадь f ;R — сумма сил трения и динами­ ческого давления потока на поплавок; с — коэффициент жестко­ сти пружины; Н — высота подъема поплавка.

При направлении потока сверху вниз в этом уравнении меня­ ется знак у веса поплавка.

Совместное решение этого уравнения с уравнением расхода (4), справедливым и в данном случае, дает

Оо = 0Ч»/кл/(2/Р/)[(<5 - eflР) + СН - R].

Обычно весом поплавка по сравнению с силой пружины мож­ но пренебречь. Тогда из предыдущего уравнения следует

Q0 = a o U 2 (c H -R )/ p f.

Если принять для R выражение

R= <ppv2f 12 = ФРQ2f/ 2 f2,

вкотором с помощью коэффициента <р учитывается также влияние

При этом возможны следующие случаи.

1.Площадь fK= const. Тогда из выражения (14) получаем про­ порциональность между QQ и у[н .

2.Площадь fK= kH, где k = const, что почти соответствует ро­ таметрам и поплавковым расходомерам; в этом случае получим

Q0 =k{a/yir+(pa2)yl2c/pfH 3/2.

3. Площадь fKсоответствует закону Q0 = kH. Тогда из выраже­ ния (14) следует, что

26

fK = k' 4 н ,

где

k' = k(\]l + (pa2 / a)yjpf /2c.

Подставляя сюда значения fK = л(гс2 - г2), где гс и г л — радиусы седла и поплавка, получим

r ? -r * = k'/nslH .

Один из элементов проточной части (поплавок или седло) можно сделать цилиндрическим, а профиль другого элемента выполнить в соответствии с данным уравнением (желательно с учетом изме­ нения коэффициента расхода а по мере подъема поплавка).

4.Возможно осуществить профилирование поплавка так, что­

бы была достигнута пропорциональность между расходом QQ

иперепадом давления Др с обеих сторон поплавка; при этом бу­ дет измеряться перепад давления вместо перемещения поплавка. Такой прибор будет уже называться расходомером переменного перепада давления. Он рассмотрен ранее (см. кн. 1).

Реализованные устройства поплавково-пружинных расходоме­ ров весьма разнообразны. Схема одного из таких приборов, при­ меняемого в Японии для измерения расхода нефти и других жид­ костей, показана на рис. 10. Жидкость притекает по трубе 1

иприподнимает колокол 2 полусферической формы, выполняю­ щий роль поплавка. Колокол нагружен пружиной 3 и перемеща­ ет сердечник 4 дифференциально-трансформаторной передачи.

Такие приборы разработаны для труб диаметром от 10 до 260 мм на расходы от 0,03-0,15 м3/ч до 200-1000 м3/ч при давлении до 2 МПа и температуре до 120 °С.

В другом японском расходомере подвижной элемент — сужа­ ющее устройство типа сопла, укрепленное внутри сильфона [31]. Последний выполняет роль осевой пружины и одновременно гер­ метически соединяет подводящую и отводящую части трубы, сна­ ружи которой помещен индуктивный преобразователь. Его сер-

27

трубке 1 из акрила. Расходомер прост и компактен, но его по­ грешность составляет ±4 % .

Существует несколько иная конструкция поплавково-пружин­ ного расходомера1. В ней поплавок в виде подпружиненной диа­ фрагмы с конической наружной поверхностью перемещается вертикально внутри неподвижного седла. Жидкость проходит через отверстие диафрагмы и частично через кольцевой зазор между диафрагмой и седлом. Диафрагма несет постоянный маг­ нит, взаимодействующий с контактными преобразователями в виде герконов, которые расположены снаружи. При изменении вязко­ сти в очень широких пределах от 1 до 760 мм2/с и расходе не менее 0,1 л/мин погрешность не более 5 % от предела шкалы. Об­ щая область измерения, обеспечиваемая различными поддиапазо­ нами, от 0,01 до 80 л/мин. Предельные давления от 1,2 до 40 МПа.

В Индии предложен расходомер (рис. 12) [18], в котором ша­ ровой поплавок 4 притянут нижней пружиной 3 к седлу, распо­ ложенному в середине цилиндрической трубки 2. Жидкость по­ ступает в нижнюю часть трубки через штуцер 1 и приподнимает поплавок, натягивая при этом противодействующую пружину. Поплавок перемещается в верхней части трубки. Кольцевая пло­ щадь проходного сечения между трубкой и шаровым поплавком остается постоянной. Следовательно, расход Qc будет пропорцио­ нален 4н .

Весьма редко, но встречаются поплавковые расходомеры, у ко­ торых роль пружины выполняет гидростатическое давление на тело, связанное с поплавком и частично погруженное в более тя­ желую жидкость. Такие расходомеры могут быть названы по­ плавково-архимедовыми. Они были предложены в Индии.

1 Klaus К. Neuer Durchflussmengenmesser und Wachter nach dem Prinzip des Federbelasteten Schwebekorpers / / Messen, priifen, automatisieren. — 1987. — N 4. — S. 188-190.

28

Расходомеры обтекания с электромагнитным уравновешиванием

Имеются схемы расходомеров обтекания, у которых уравнове­ шивание силы динамического давления на поплавок осуществ­ ляются электромагнитным способом. У них поплавок связан с железным сердечником, находящимся в поле наружного соле­ ноида. Кроме того, имеется устройство (например, фотосопротив­ ление и осветитель), реагирующее на перемещение поплавка и изменяющее силу тока i в соленоиде так, чтобы обеспечить возврат поплавка в исходное положение. Подобные расходомеры работают по компенсационной схеме и предназначены для изме­ рения сравнительно небольших расходов. Их называют также рас­ ходомерами с магнитной подвеской. Сила тока i пропорциональ­ на объемному расходу, если вес поплавка скомпенсирован с по­ мощью дополнительного соленоида.

Существуют и другие разновидности подобных расходомеров, в которых фиксация местоположения поплавка осуществляется электромагнитным способом [32]; при этом не требуется фотоэле­ мента и осветителя.

Ш ариковые расходомеры обтекания

Более точно рассматриваемые приборы следовало бы назвать расходомерами обтекания с шариком, движущимся по дуге ок­ ружности. С ними не надо смешивать приборы, в которых шарик перемещается вертикально в цилиндрической трубке и при своем подъеме открывает в последней отверстие для выхода измеряемо­ го вещества.

Схема устройства расходомера, в котором шарик движется по дуге окружности, показана на рис. 13. При отсутствии движения жидкости шарик занимает крайнее нижнее положение. По мере увеличения расхода шарик поднимается в стеклянной трубке, имеющей форму неполного кольца. Диаметр шарика <2Шменьше внутреннего диаметра dr трубки, поэтому между трубкой и ша­ риком остается постоянная площадь серпообразной формы для прохода жидкости.

На шарик действует гидродинамическое давление потока

F = Ч>шРи% / 2 = (8 4 ^ р/ш

и вес поплавка в жидкости G = Vm (рш - р) g, проекция которого G sin © уравновешивает силу F. Следовательно, G sin © = F. Отку­ да следует, что

29

щение шарика по часовой стрелке. При угле © > 60° этот момент преодолевает трение шарика о стенку, шарик теряет устойчивость и начинает вращаться. Поэтому угол 0 не должен превосходить 60°. Результаты опытов [29], проведенных при четырех отноше­ ниях rfm/rfT = 0,1; 0,2; 0,4 и 0,6, показали, что коэффициент со­ противления х¥ш зависит от числа Re и от отношения dm/dT.

1.4.РАСХОДОМЕРЫ С ПОВОРОТНОЙ ЛОПАСТЬЮ

Втрубопроводе подвешивается лопасть, на которую воздей­ ствует гидродинамическое давление потока жидкости или газа. Расход определяется по углу поворота лопасти или по величине противодействующей силы, уравновешивающей давление потока

вкомпенсационных приборах. В последнем случае угол поворота

лопасти может быть ничтожно мал.

Общая характеристика

По виду противодействующей силы расходомеры с поворотной лопастью подразделяются на расходомеры с грузовым и с пру­ жинным уравновешиванием, а также на компенсационные с пнев­ матическим или электрическим уравновешиванием.

Достоинства их: большой диапазон измерения, доходящий до 15-20, и возможность двустороннего действия. Кроме того, они позволяют сравнительно просто осуществить измерение больших расходов жидкости и газов, а также веществ, имеющих высокую температуру или обладающих агрессивными свойствами. Их ди­ намические характеристики достаточно хорошие. Время переход­ ного процесса (колебательного, быстро затухающего) 1,5-2 с.

Основной элемент расходомера — поворотная лопасть — даже при постоянном расходе непрерывно вибрирует вследствие срыва вихрей с ее тыльной стороны. Небольшая вибрация не мешает работе. Она в ряде случаев даже может быть полезна, так как препятствует оседанию грязи и других механических примесей

30